引言：折紙和算盤作為折疊紙張的藝術和計算的工具，具有幾百甚至上千年的歷史，時至今日，折紙更是在生物醫(yī)學、航天等領域得到了廣泛應用，那你有沒有想過折紙還可以像算盤一樣用來計算，甚至是全自動數字式的算盤？
近日，俄亥俄州立大學趙芮可教授團隊和佐治亞理工學院Glaucio H. Paulino教授團隊在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上在線發(fā)表題為“Untethered control of functional origami micro-robots with distributed actuation”的論文，就讓這個想法成為了可能。作者將磁響應材料和雙穩(wěn)態(tài)Kresling型折紙結構結合構成一種新型的多功能驅動器，若將每個驅動單元想象成一個算珠，展開狀態(tài)時記數為1，一方面，通過單一外加磁場的控制即可實現多個驅動單元的獨立控制，功能類似于手撥算珠，另一方面，雙穩(wěn)態(tài)的結構可用于信息存儲，便于讀出算盤上最終記錄的結果。
從現代數字計算角度考慮，雙穩(wěn)態(tài)Kresling驅動器具有與施密特觸發(fā)器類似的特性，作為一個可折疊結構，將輸入轉矩看成輸入信號，機械狀態(tài)看成輸出信號（展開狀態(tài)為二進制輸出1，折疊狀態(tài)為二進制輸出0），則輸入轉矩與輸出數字狀態(tài)0和1之間具有固定的關系，可以實現相似的模數轉換和信息存儲功能（如圖二和視頻一中展示的三位存儲器，各單元的獨立驅動實現存儲信息的改變，LED實時顯示存儲的信息）。另外，Kresling驅動器還可以通過自身狀態(tài)的變化被動的反應出外界負載的大小并通過磁驅動主動的做出響應，因此集成了驅動、傳感和計算的功能于一體，完美契合機器人所需要的感應-決策-響應的所有功能，是新一代智能機器人系統(tǒng)的潛在方案。
Kresling驅動單元的原理如圖三所示，折紙結構頂端固定有磁化后的磁片，若外加磁場的方向與磁片的磁化方向不同，將產生趨向于磁場方向的轉矩，通過控制磁場的方向和大小，當磁轉矩在驅動單元旋轉的過程中始終大于所需要克服的轉矩 （圖三C中的紫色區(qū)域），則驅動單元可以克服折紙結構的能量壁壘，在折疊狀態(tài)和展開狀態(tài)之間快速切換 （視頻二）。
當多個驅動單元組裝在一起，通過設計各單元上磁片的磁化方向的不同并調節(jié)外加磁場的大小和方向，各單元所受轉矩的大小和方向均不同，可以實現裝配體各單元的同時驅動和獨立分布式控制（distributed actuation）。例如圖四和視頻三中所示，由兩個相同單元組成的裝配體，在完全折疊狀態(tài)下，上下兩個磁片的磁化方向相差90°，裝配體可以從完全折疊狀態(tài)驅動為其他三種狀態(tài)。
基于分布式控制的原理，當Kresling驅動器裝配體變?yōu)榱硗庖粋€狀態(tài)后，各單元上磁片的磁化方向也相應的發(fā)生變化，此時驅動所需的磁場方向和大小也會發(fā)生變化，通過合理設計和計算，裝配體在任意狀態(tài)之間可以實現直接或者間接的快速切換。（圖五和視頻四）。
研究團隊還進一步研究了Kresling型驅動器各單元獨立控制并協(xié)同作用帶來的其他潛在應用。對于驅動單元，通過對折紙結構的設計可以獲得不同的能量壁壘，具體到本文，折紙高度越高則能量壁壘越大。當四個高度不同的單元層疊成裝配體時，由于每個單元的剛度均不同，裝配體結構可以隨著狀態(tài)的切換獲得16種不同的剛度特性，配合磁驅動可以用來設計剛度快速可調的阻尼器。
團隊成員表示希望下階段的工作可以實現驅動器的運動，結合集成的傳感和計算功能，將磁驅動折紙應用在智能機器人領域。
本文通過結構的雙穩(wěn)態(tài)特性實現了形狀鎖定（shape-locking），趙芮可教授團隊和佐治亞理工的齊航教授團隊今年還通過設計一種新的材料，即磁驅形狀記憶高分子（Magnetic shape memory polymer, M-SMP）來實現形狀鎖定，該材料可通過控制磁加熱和磁驅動實現低溫形狀鎖定和高溫快速變形，相關成果發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）上，
團隊介紹
該工作由俄亥俄州立大學軟智能材料實驗室（Soft Intelligent Materials Laboratory，鏈接: http://zhaor.engineering.osu.edu）和佐治亞理工學院計算力學實驗室（Prof. Glaucio H. Paulino’s Computational Mechanics Research Group，鏈接: http://paulino.ce.gatech.edu/index.html）共同完成。該工作的通訊作者為趙芮可教授和Glaucio H. Paulino教授，共同第一作者為佐治亞理工學院博士生Larissa S. Novelino，俄亥俄州立大學博士后迮棄疾博士，以及俄亥俄州立大學博士生吳帥。
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